半导体制冷片（精选七篇）
半导体制冷片 篇1
1 控制系统组成
基于单片机的半导体制冷片温度控制系统的结构框图如图1所示, 主要包括以下几个部分:
1.1 电源部分
本研究系统共设有两部分电源, 分别是线性稳压电源集成电路U2和输出电压可调开关稳压电源集成电路U4。其中外接的测试电源+12 V, 经由U2稳压后输出稳定的+5 V电压;另一部分是单片机U1通过控制U4调整输出电压的大小, 直接给半导体制冷片提供电源。但是当单片机的16脚输出高电平时, JP4无电压输出, 制冷片不工作。
1.2 D/A转换电路
单片机U1通过CMOS八同相三态缓冲器U3及外围电阻网络构成D/A变换电路。
1.3 工作模式转换电路
工作模式转换电路主要依托单片机通过P3.4、P3.5端口控制4个场效应管Q3~Q6构成H桥, 来改变二次电源插座P2端口上电压的极性, 从而改变制冷片电流方向, 改变其制冷/制热的工作模式。
1.4 温度测量与显示电路
单片机通过端口P3.3读取U6数字温度传感器测量元件的数据进行处理转换为温度值并显示在数码管DS1上。其电路连接如图2所示。
1.5 按键电路
本研究系统共设有5个按钮:S1来控制整机的启动/停止;S2是“功率+”键, 可以增大制冷/制热的功率;S3为“功率-”键, 可以减小制冷/制热的功率;S4来控制制冷片在制热 (红灯LED2亮) 、暂停 (红、蓝灯均不亮) 、制冷 (蓝灯LED3亮) 3种工作模式之间循环转换;S5作为备用按键。
2 硬件系统设计
2.1 半导体制冷片 (帕尔帖效应PELTIER EFFE-CT)
1834年法国人帕尔帖发现了帕尔帖效应, 即当电流流经两个不同材料组合成的闭合回路时, 在材料的接头处一端会产生放出热量QP, 另一端吸出热量QP。这种吸收或放出的热量叫做帕尔帖热, 其到底是放热或吸热由电流的方向决定, 大小由公式QP=πI决定。其中π为帕尔帖系数, 与温差电动势率有关, π= (α1-α2) T, α1、α2为组成回路的两种材料的温差电动势, T为相关接头的温度。利用这个原理制成本机所用半导体制冷片 (行业名是温差电致冷组件) 。作为一种制冷源, 半导体制冷片可以连续工作, 不需要制冷剂, 没有污染源和机械运动部件, 不会产生回转效应, 是一种固体元件, 安装容易。半导体制冷片是电流换能型器件, 通过控制输入电流, 可实现高精度的温度控制。热惯性小, 制冷制热时间比较快, 在热端散热良好、冷端空载的情况下, 可迅速达到最大温差[7]。
2.2 AT89S52单片机
本控制系统主控单元采用ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为主控芯片, 由于该芯片内含有4 k B的E2PROM, 因而无需外加存储器, 其电路简单可靠[8]。单片机作为整个硬件系统的核心, 它既是数据处理器, 又是输出电压可调开关。
2.3 数码管
数码管用来显示半导体制冷片的温度和半导体制冷片制冷/制热的功率 (显示值不是真实功率的大小, 而是功率的量化值, 量化值越大表示功率越大, 量化值参考范围为0~99, 但是当量化值显示只有个位数时, 高位数码管熄灭———即不显示) , 其作用是为了方便通过控制按键来调节制冷片的温度, 以符合设计的需求。
2.4 AD转换器
本研究系统所使用D/A变换电路, 其作用是控制输出电压可调开关稳压电源集成电路U4输出的不同电压, 从而控制半导体制冷片的功率大小。
2.5 温度传感器
本研究系统所使用的温度传感器U6为美国DALASS公司生产的总线控制数字温度传感器芯片该芯片使用方便简单、体积小, 采用单线接口方式以保证测量的准确, 同时, U6应紧贴被测量的元件。
3 系统软件设计
当本研究系统上电启动后, 首先进行系统的初始化, 单片机上电或者复位后, 进入主程序, 系统程序采用单片机C语言编写, 软件采用模块化设计, 包括初始化模块 (对I/O口、定时器等进行初始化) 、显示模块、定时器模块、按键模块等。单片机系统程序流程图如图3所示。首先进行温度的测量, 通过按键设置来调整功率的大小, 然后再通过按键来设置半导体制冷片的工作模式, 进而对温度进行实时调节和控制。
4 系统调试和功能实现
在整机制作完成后进行系统调试, 首先热电装置通电, 系统处于待机状态, U2 (LM7805) 输出电压VCC为正常的+5 V, 这时绿色电源灯LED1发光, 2位数码管显示“———”, 红色LED2 (表示制热) 和蓝色灯LED3 (表示制冷) 均不发光。通过控制按钮S1启动后整机开始工作, 数码管显示初始量化功率显示为60, 说明单片机工作正常。当工作开始后, 按S2“功率+”键可以增大制冷/制热的功率值;按S3“功率-”键可以减少制冷/制热的功率;按S4来控制制冷片在制热 (红灯LED2亮) 、暂停 (红、蓝灯均不亮) 、制冷 (蓝灯LED3亮) 3种工作模式之间循环转换, 说明H桥制冷/制热模式转换电路正常, 制冷片能够实现制冷和制热功能, 从而实现半导体制冷片对温度的控制。
5 结语
随着科技的发展, 半导体制冷技术已经在诸多领域得到应用, 半导体制冷技术为我国经济建设的快速发展和环境保护做出了巨大贡献。本文利用AT89S52单片机为核心元件, 以半导体制冷片为制冷元件, 开发了一套基于单片机的半导体制冷片温度控制系统。研究表明, 该系统通过对有功率耗散的开关电源的单元电路等进行控制, 从而控制的半导体制冷片工作状态 (制冷/制热转换, 功率大小可调) , 以达到测量并控制一些设备的温度, 保证其正常工作的目的。该系统操作方便, 工作安全可靠, 能够满足整体性能要求, 具有良好的应用前景和推广价值。
摘要：利用AT89S52单片机为核心元件, 以半导体制冷片为制冷元件, 开发一套基于单片机的半导体制冷片温度控制系统。研究表明, 该系统通过对有功率耗散的开关电源的单元电路等进行控制, 从而控制半导体制冷片工作状态, 以期达到测量并控制一些设备的温度, 保证其正常工作的目的。
关键词：AT89S52单片机,半导体制冷片,控制系统,温度
参考文献
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半导体制冷技术及其应用 篇2
半导体制冷作为一种新兴发展起来的制冷技术, 是一种具有良好前景的制冷方式。由于半导体制冷具有清洁、无噪声污染和无有害物质排放、寿命长、坚固、可靠性高、稳定性好等一系列优点, 符合绿色环保要求, 因此, 对国民经济的可持续发展具有重要的战略意义。半导体制冷与其他的制冷方式相比具有以下优点: (1) 没有机械制冷的运动部件; (2) 不使用制冷剂; (3) 冷、热端转换方便, 只要电流方向转变即可; (4) 其制冷器件可以做成各种形状; (5) 半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小, 但可以通过串、并联的方法将其组合成制冷系统, 这样功率就可以做的很大, 因此制冷功率范围区间比较大; (6) 能量调节性能好, 通过调节工作电压或电流即可; (7) 半导体制冷片热惯性非常小, 制冷制热时间短[1]。总之, 由于半导体制冷结构紧凑、制冷迅速、操作简单、容易实现高精度的温度控制等优点, 其应用范围渗透到各个行业。但由于其效率比较低, 再加上加工制造工艺比较复杂, 在很大程度上限制了半导体制冷的推广和应用。
1 半导体制冷的工作原理
半导体制冷是利用半导体材料组成P-N结, 通过两端施加的直流电进行制冷, 将电能直接转化为热能的技术[2]。半导体制冷工作原理如图1所示, 把一只P型半导体元件和一只N型半导体元件连接成热电偶, 接上直流电源后, 在接头处就会产生温差和热量转移。在上端处, 电流方向是N→P, 温度下降并吸热, 这就是冷端;而在下端处, 电流方向是P→N, 温度上升并放热, 这就是热端。
2 半导体制冷技术研究现状
半导体制冷一直是半导体工业和材料工业领域的主要研究对象, 由于其材料、工艺和其他条件的限制, 致使半导体制冷设备的整体技术性能还不能与机械式制冷相抗衡。研究者们已经做了许多工作, 并且取得了很大的成果。
2.1 理论方面
吴兆琳[3]经实测给出了半导体制冷的最佳设计。杨玉顺分析了热电循环中获得最大制冷量、最大制冷温差和最大制冷系数的条件, 并给出了两种不同设计方法的最佳特性参数选择的原则。Kenichi[4]对稳态的数值模拟方法作了阐述。J.G.Stockholm[5]等通过建立数学模型, 从热力学和传热学角度对半导体制冷过程作了深入的理论讨论。在实验中, 总结出散热量等于其制冷量与输入功率之和, 散热问题对制冷效率的提高起到了至关重要的作用, 热端温度越高, 冷热端温差越大, 其制冷量越小, 效率越低。从文献研究来看, 半导体制冷技术的理论研究基本成熟。
2.2 半导体材料
目前世界上大多数的半导体材料的无量纲值在1左右, 还远小于由固体理论模型和较为实际的数据计算所得的上限4, 故对材料领域的研究仍有很长的路要走, 这是半导体制冷技术能否取得突破的关键所在。Min.G, D M Rowe和Kontostavlakis K等[6]还探讨了在大温差下材料优值系数的变化问题。宜向春、蔡德坡和吴雄等在考察半导体制冷材料发展的基础上, 详细分析了影响半导体材料优值系数的几个因素[7]。Mole等[8]认为, 减少声子传导率, 即可大大提高半导体制冷堆的优值系数。半导体材料的优值系数除与电极材料有关, 也与电极的截面和长度有关。
2.3 结构设计
通过优化设计半导体制冷模块, 减小半导体制冷模块的理想性能系数和实际性能系数间的差值, 提高半导体制冷器的实际制冷性能。M.Yamanashi[9]提出了半导体制冷系统优化设计的新方法, Taylor[10]建立了半导体制冷设备非稳态温度场的简单模型。王宏杰和陈金灿对耦合半导体制冷系统性能特性进行了优化分析, 导出了多级制冷最大制冷系数和制冷率的公式、最大工作电流的范围和两级半导体元件的最佳比的取值范围。文献[11]指出加工工艺对半导体制冷的影响因素有:附加传热温差、焊缝电阻、散热交换和原件性能。
2.4 传热方式
由于半导体制冷的散热量等于其制冷量和输入功率之和, 因此半导体制冷热端散热效果是影响半导体制冷性能的重要因素。国内外学者在文献[12, 13]中指出, 强化散热的方式有空气自然对流散热、强迫对流散热、水冷散热、相变沸腾换热等方式, 均可以收到良好的效果。由于散热方式的选择在半导体制冷设计中很重要, 因此选择何种方式应综合考虑半导体制冷器的用途及散热效率。李茂德讨论了散热强度对制冷器的影响分析[14];殷亮对半导体制冷器进行了瞬态的数值计算以及冷端温度的分析[15]。并有学者指出适当提高散热强度可以改善半导体制冷的制冷性能, 但是不能无限制地提高其制冷性能。
通过对半导体制冷的影响因素分析, 总结出的研究方法有:理论研究、计算分析、实验、对比分析。通过对半导体以及半导体制冷的原理研究, 可以提供理论基础, 从中得到的计算公式可以得出理论最优值, 为以后的工作奠定基础和方向。通过对具体的工况进行实验, 可以找到其中的内在联系和相互影响, 并且纠正之前的理论。最终进行系统的综合分析和研究, 得到相应的结论, 指导生产实际和下一步研究。
3 半导体制冷的热点、难点及存在的主要问题
3.1 半导体制冷的热点和难点
通过上文的分析可以看出, 近年来有关半导体制冷的研究得到了国内外学者的广泛关注。其相关的研究对象包罗万象, 几乎涉及到所有领域, 如军事、航空航天、工业、农业、医疗卫生、生化和日常生活用品等。目前的研究水平还局限于半导体制冷的材料、最大制冷量和最大制冷效率, 距离实现半导体制冷的广泛应用还有较大差距。由于半导体制冷的材料和热端散热效果一直是半导体制冷的热点和难点, 目前, 国内外学者对半导体制冷的研究主要集中在半导体材料研究开发、模块设计制造和系统优化设计等方面。与此同时, 半导体制冷的性能特性优化和系统的散热条件也是半导体制冷研究的热点, 通过研究半导体制冷优值系数Z、半导体制冷器的制造工艺过程、设计外部换热方式以及优化内部热电偶结构, 可为半导体制冷成熟理论的提出和推广应用提供一定的理论基础。目前半导体制冷新理论和半导体制冷新技术仍是各国关注的热点研究课题, 不断开发研究新型半导体材料以及努力提高现有半导体材料的性能是目前和今后半导体材料研究的主要目标。
关注热点的同时, 也面临诸多难点。首先, 半导体制冷材料性能的优劣取决于其半导体制冷优值系数Z。其次, 半导体制冷是一个参数多、工况变化复杂的过程, 几何结构参数、散热传热条件等对其影响都很大, 采用常规的针对性实验方法难以满足多种需要, 并且在进行优化设计的参数选择时需要实验对比不同工况从而选择最优方案, 所以如何选择和设计研究过程和方案就显得十分重要。再次, 根据传热学原理、热力学定律以及帕尔帖效应可知, 半导体制冷过程中冷、热端的温度差对半导体制冷的热量和冷量的传递有极大的影响, 两端换热性能差, 就会大幅度地减小同等功率下的制冷能力, 若热端散热效果差, 往往达不到设计要求, 因而冷、热端散热也是半导体制冷的又一个困难。总而言之, 半导体制冷的难点在于:高优值系数的材料、复杂的多参数以及冷热端散热的设计。
3.2 半导体制冷当前存在的主要问题
国内外学者从不同角度去提高半导体的制冷效率, 可以欣喜地看到当前研究仍然呈现出一片欣欣向荣的景象。但是半导体制冷的研究当前还存在以下问题:
(1) 半导体制冷要想达到与机械压缩制冷相当的制冷效率, 材料的优值系数就必须提高。材料的优值系数不高是阻碍半导体制冷发展的最主要因素。
(2) 有关冷、热端散热系统优化设计的研究较少, 这使得半导体制冷的设计多半处于理论计算阶段, 半导体制冷的实际运行效果不能得到很好的保证, 所以要对半导体散热设计和系统性能优化进行不断研究。
(3) 相关领域和不同领域的技术与手段的引用较少, 材料的优值系数的停滞影响了整个半导体制冷行业的发展, 所以运用新理论和新技术来研究和完善就变得非常重要。
(4) 随着科学技术的飞速发展, 产品器件的尺寸也越来越复杂, 需要考虑多种因素。如何解决大功率半导体多级制冷的优化问题、小尺寸器件的局部散热问题和多因素的半导体热电能量转换问题就成为今后不断努力研究的内容。
4 结束语
随着科技的发展, 半导体制冷技术已经在诸多领域得到应用, 在这浩瀚的研究成果中, 着重通过对半导体制冷材料优值系数的提高和半导体制冷的优化两方面综述国内外相关文献所取得的成就, 得出的结论如下:
(1) 半导体制冷技术的理论研究基本成熟, 优值系数Z低, 表明其在理论上有很大的发展空间, 进一步研究和开发新材料, 不断提高其优值系数将有广阔的前景。
(2) 在生产技术和工艺方面要多做实验, 有机地结合计算机辅助设计对降低实验成本、加速理论的完善和提高半导体的性能有很大的帮助。
(3) 在应用方面应在不同的领域采用不同的研究方法。因为半导体制冷的运作过程受多因素的影响, 最好采用系统分析和综合分析的方法, 在适用性下进行应用性研究, 让技术成为生产力。
基于半导体制冷的小型电控柜 篇3
公司现用混料机操作控制柜体积小 (500×300×600mm) , 柜内装有工控电脑一台, UPS电源一台, 设备发热量大。为了防止混料机设备运行过程产生粉尘对工控电脑的危害, 操作控制柜设计完全密闭, 因此, 内部工控设备散热不畅。
夏天, 车间内最高温度可达到40℃以上, 由于工控设备运行发热量大, 散热不畅, 电气柜内温度更高, 工控电脑和UPS电源在高温环境下运行经常发生报警和故障。通常, 对环境恶劣、温度较高的电气柜会使用电气柜专用风机或专用空调制冷, 但这台电气柜因体积太小, 没有合适空调可选, 如果安装风机, 设备产生的粉尘可能会侵入柜内对工控设备造成危害。
针对实际存在的问题, 参考制冷饮水机制冷系统, 决定采用制冷片冷却控制柜, 制冷片冷却系统具有体积小, 功耗低和安装方便的优点, 既可以满足小型电气柜制冷的需求, 又能够做到柜体密封, 防止粉尘对柜内设备的危害。
2 制冷片工作原理
半导体致冷片是由半导体所组成的一种冷却装置, 由许多N型和P型半导体之颗粒互相排列而成, 而NP之间以一般的导体相连接而成一完整线路, 通常是铜或其他金属导体, 最后由两片陶瓷片像夹心饼干一样夹起来, 陶瓷片必须绝缘且导热好。
在原理上, 半导体制冷片是一个热传递的工具。一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对, 当热电偶对中有电流通过时, 两端之间就会产生热量转移, 从而产生温差形成冷热端。电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量, 成为冷端;电由P型元件流向N型元件的接头释放热量, 成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定。
通常半导体制冷片冷热端的温差可以达到40~65度之间, 如果通过主动散热的方式来降低热端温度, 那冷端温度也会相应的下降, 从而达到更低的温度。我们可以采用风扇和散热片为高温端散热 (如图1) 。
3 制冷量计算
控制柜所需制冷量计算, 根据公式: (上海海立特种制冷设备选型样本)
QF=电控箱内部全部发热量 (单位W)
S:电控箱全部表面积 (单位m2)
ΔT=TG-TK (单位℃)
TG:电控箱外部最高温度
TK:电控箱内所需设定温度
根据计算所需的制冷量, 制冷片决定选用TEC1-09510T125, 最大工作电压11.4V, 最大电流10A, 最大温差67℃, 最大制冷量79.2W, 外形尺寸30×40×3.20mm, 与需要的制冷量比较还留有20%的余量, 可以满足使用要求。
4 实施过程
制冷片制冷系统主要包括开关电源板、半导体制冷片、散热片、散热风扇、温度检测及显示、制冷片控制板 (如图2) 。
开关电源板主要为半导体制冷片工作时提供12V低压电源, 让制冷片能够工作。半导体制冷片的冷端贴合在电气柜顶部, 通过顶部机壳热传导吸收电气柜内热量, 降低电气柜内温度;热端贴合在散热片上, 把吸收的热量传导到散热片上。散热片通过散热风机把制冷片产生的热量散发到空气中, 保证制冷片能够连续循环吸收热量。温度检测传感器装在电气柜内, 用于检测电气柜内环境实时温度。制冷片控制板接受温度传感器的信号, 控制制冷片的启动和停止。散热风扇主要是把散热器的热量更好的带走, 通过风扇强制冷却可以减小散热片的体积。电气柜外表面大部分用自粘保温棉粘贴, 做好电气柜的保温, 降低制冷片工作时长及频率, 节约能源。
5 结束语
通过使用制冷片冷却的电气柜, 在温度高时能保持电气柜内温度控制在35℃左右, 安全可靠, 效果明显, 满足设备使用要求。
参考文献
[1]曾树荣.半导体器件物理基础[M].北京:北京大学出版社, 2007.
半导体制冷数值解算方法探讨 篇4
半导体制冷无旋转部件, 可靠性高, 寿命长 (标称寿命通常大于20 000h) ;体积小巧, 易于安装, 使用过程中基本无需维护;控制方式灵活, 改变电流方向即可切换加热和制冷, 调节电流大小即可精确控制制冷制热量;热惯性小, 制冷迅速, 可实现大温差调温;绿色环保, 无污染[1,2]。由于这些优点, 自20世纪60年代以来, 半导体制冷在航空航天、武器装备、精密仪器、工业和民用设备等领域得到了广泛的应用*。
然而, 工程应用中进行精确半导体制冷计算却比较困难, 主要体现在以下方面: (1) 半导体制冷是多种效应综合的结果, 本身计算复杂; (2) 计算中需使用的制冷器件内参数通常未知且求解困难; (3) 制冷量受环境参数影响大, 而实际工况环境复杂多样; (4) 目前普遍使用的查表法用于多工况计算时缺乏灵活性, 且精度较低。本文以单PN结和单级制冷片 (SingleStageThermoelectricCooler) 为研究对象, 在阐述半导体制冷原理的基础上, 推导出一种新的制冷器件内参数反向求解方法, 并讨论了Matlab环境下半导体制冷计算软件的实现问题。
2 半导体制冷原理及计算
半导体制冷是塞贝克、珀尔帖、汤姆逊三种可逆效应和焦耳、傅里叶两种不可逆效应综合的结果。其中汤姆逊效应为二级效应, 通常对计算结果影响较小, 在一般计算中可忽略[3]。为简洁起见, 本文中涉及的所有参量均默认采用国际标准单位。
2.1 单PN结制冷计算
如图1所示, 一制冷PN结在电流I、冷端温度Tc、热端温度Th、热冷端温差ΔT作用下处于热平衡时, 其供电电压U、制冷量Qc (或冷端负载) 、产热量Qh、电功率N0、制冷效率Ec、产热效率Eh可用公式表示为[4,5]:
式中:α、R0、K分别为PN结材料的赛贝克系数、内阻和总热导, 通常三者通称为内参数。
式 (1) 经进一步推导, 可求得一定工况下的最大制冷量电流IQmax和最大效率电流IEmax分别为:
式中:Z———半导体材料的优值系数, 作为内参数的综合指标, 是衡量热电材料性能的重要参数。
从表面上看, 式 (2) 中IQmax仅依赖Tc, 但由于Qc、Th、Tc之间存在制约关系:电流I一定时, 冷端负载Qc增大或热端温度Th升高都会导致冷端温度Tc上升。因此, Th一定时, IQmax实际上还依赖于冷端负载Qc。显然, 当Th=Tc, 即ΔT=0时, 制冷量取得最大值;当Qc=0, 即冷端绝热时, 热冷端温差ΔT取得最大值。将式 (2) 代入式 (1) 可推导出Th一定时的最大制冷量Qmax和最大温差ΔTmax分别为:
值得注意的是, 式 (2) 中IQmax具有另外一重意义, 即当Qc和Th一定时, 它实质上给出了最大温差电流IΔTmax。
2.2 单级制冷片制冷计算
单级制冷片是最常用的半导体制冷器件, 它通过在两个陶瓷基板间以串联方式焊接多个 (几个至数百个, 个数记为n) PN结以获取较大制冷量, 并改善机械特性和简化供电要求。若在PN结参量符号上加上标“′”表示单级制冷片对应的等效参量, 则忽略基板热阻等次要因素时, 由PN连接关系和式 (1) ～式 (3) 可推得:
可见, 单级制冷片与单PN结的相应参量间存在简单的线性对应关系, 且只依赖PN结对数n。因此, 单级制冷片的制冷计算可借助式 (4) 和单PN结的制冷计算公式完成。
事实上, 我们不难分析出式 (1) ～式 (3) 对单PN结和单级制冷片的制冷计算具有普遍适用意义, 即前者计算时使用PN结的内参数作为输入即可, 而后者计算时使用制冷片的等效内参数作为输入即可。
2.3 内参数推导
半导体制冷计算中需要使用内参数α、R0、K、Z, 但实际应用中多数情况下器件手册中仅给出PN结对数n及大热冷端温差ΔTmax、最大工作电流Imax、最大工作电压Umax和最大制冷量Qmax四个外部标称参数。显然, 尝试通过四个外参数求解器件内参数成为半导体制冷计算的首要任务。
外参数测量环境的一致性是其能用于求解内参数的根本原因。通常, 它们是各厂商在相同或极其相似的工况下测量或计算出来的, 尽管这种一致性通常并不在器件手册中明示。其中Imax为冷端绝热且热端恒温为TH 1 (通常为300.15K) 时的最大温差电流, Umax和ΔTmax分别是此工况下与Imax对应的工作电压和热冷端温差;Qmax则是零温差且热端恒温为TH 2 (通常与TH 1相等) 工况下Imax对应的制冷量。将已知量代入公式 (1) ～公式 (3) 可推得:
显然, 式 (5) 中只有α、R0、K三个独立未知数, 却存在四个独立方程式。鉴于Imax、Umax、ΔTmax测量工况的一致性, 通常可使用与其对应的前三个方程式求解α、R0、K, 而通过与Qmax对应的第四个方程式求得K2以用于K的校验。求解结果如下:
进一步分析可知, 式 (5) 、式 (6) 亦同时适用于单PN结或单级制冷片的内参数求解, 只要输入参数与计算结果对应即可。
表1给出了使用上述方法计算出的制冷器件内参数示例 (TH 1=TH 2=300.15K) 。
由表1可知, 对某些制冷器件而言, K与K2间存在较大的差异。究其原因, 测量不同外参数时制冷器件平均温度的差异 (约为ΔTmax/2) 引起的内参数温漂, 正是导致K与K2出现较大差异的根本原因。为提高计算精度, 总热导K′可根据制冷器件平均温度通过对K与K2的线性拟合求得。应注意到的是, R0通常是α、R0、K中温度系数最大的内参数, 因此, 另一种推荐的作法是用与K2类似的步骤计算R2, 并通过R0与R2的线性拟合求解制冷片内阻R′。具体计算公式如下:
3 制冷计算程序开发
由上文分析可知, 半导体制冷计算还与工况环境参数Tc、Th、ΔT密切相关。半导体制冷计算的任务就是确定指定工况下制冷量与工作电流、工作电压的对应关系, 并计算最大制冷量电流、最大效率电流等参考数据, 从而为制冷片选型、电源设计、制冷优化控制提供依据[6]。
3.1 必要性分析
目前, 半导体制冷计算中广泛采用的方法是基于Th-ΔT工况的Q-I-U查表法[3], 即器件的数据手册中给出其在某一热端温度下 (通常为300.15K) 几组不同温差 (通常为2～4组) 对应的工作特性曲线, 用户通过查询该组曲线即可确定Q、I、U三者之间的对应关系。该方法简便、快捷, 但缺点也显而易见, 它无法给出最大制冷量电流等参考数据, 且仅能应用于几组特定工况, 其它工况下需要用户依图估算 (热端温度相同时) 或依据第三方经验公式进行点对点转换 (热端温度不同时) [3]。显然, 无论精度、灵活性还是便捷性都无法满足复杂多工况计算要求。理想的解决方法是开发一款半导体制冷计算软件, 它能够实时绘制指定器件指定工况下的工作特性曲线, 自动标注参考点, 并显示随机指定点对应的数据。
3.2 软件组成及模块开发
实际程序采用Matlab 2007a开发。为便于使用, 程序绘制以工作电流I作为中介的Qc-I、U-I、Ec-I曲线图。由前文分析可知, 除 (4) 外的所有公式同时适用于单PN结和单级制冷片的制冷计算, 因此视前者为只有一对PN结的制冷片, 即可将两者的计算过程统一起来以简化代码, 必要时再通过公式 (4) 实现两者间参量的相互转换。
程序由内参数解析、计算绘图、参数设定和界面交互等子模块组成。内参数解析模块根据用户输入的参数数据ΔTmax、Imax、Umax、Qmax、TH 1、TH 2和n, 求解制冷片和其PN结的内参数α、R0、K、Z。计算绘图模块根据相应内参数和用户输入的工况环境参数Th和ΔT计算并绘制Qc-I、U-I、Ec-I曲线图。借助Matlab强大的计算和绘图功能, 上述两个模块实现起来比较简单, 只是为便于在界面处理回调函数中使用, 两者应置于单独的子函数中实现。参数设置模块用于修改绘图模式、字体大小、线条颜色、线条粗细等程序默认值。相比之下, 界面交互模块实现上较为复杂。
半导体制冷计算中经常需要同时比较多种制冷器件在多种工况下的特性曲线, 由于可能需要动态创建多个图形界面窗口, 因此常用的GUIDE (GUI designenvironment) 界面设计方法不宜在本程序中使用。实际设计过程中, 除参数输入和内参数结果显示在命令行中完成外, 其它界面处理工作均通过动态设置UI元素的回调函数完成。具体情况如下: (1) 每次绘图操作创建新Figure对象后, 动态获取其句柄HF, 通过set (HF, ′KeyPressFcn′, @fFigCommad) 属性修改语句为其设置fFigCommad回调函数。当在Figure窗口中按下键盘按键时该函数被调用, 并自动传递src和event两个参数, 前者指明发生击键操作的Figure对象, 后者指明被击按键信息。当D、C、S被按下时, 该函数激活命令窗口, 提示输入所需参数并执行相应操作。其中, 为D时提示输入新制冷器件外参数, 为C时提示输入新工况参数, 为S时则以向导模式修改程序默认值。在输入工况参数时, 允许附加一个用于控制绘图模式的整型可选参数, 其中0使用默认模式绘图, 1在新Figure窗口中绘图, 2清除原Figure中已有图形后重新绘图, 3以附加模式在原Figure中绘图。显然, 该参数为多组特性曲线对比提供的极大灵活性。 (2) 类似地, 通过ButtonDownFcn属性为每个Figure窗口中的Qc-I坐标轴 (axes) 对象设置fMarkPoint回调函数。当鼠标在该坐标轴内单击时该函数被调用, 通过axes的CurrentPoint属性可获取单击点对应电流值, 计算相应Qc、U、E, 并在三个坐标轴上标注对应点和其坐标值。为避免多次单击后造成视图混乱, 标注前应先删除上次单击时的标注点和坐标值。图2给出了实际程序为两款制冷芯片绘制的工作特性对比图。
其中, 实线是TES1-127.50在Th为300.15K、ΔT为10K工况下的特性曲线, 而虚线是FROST-74在Th为300.15K、ΔT为40K工况下的特性曲线。每条曲线上的E、M、Q标注点分别对应最大效率电流、最大标称电流和最大制冷量电流。*标注点则是根据鼠标在Qc-I坐标注上的单击位置动态添加的。
3.3 程序发布
按上述步骤开发的m文件只可在Matlab环境中运行, 为增加使用灵活性, 可借助deploytool工具将其编译为可执行文件, 并将所有依赖文件打包为单一的安装文件。注意, 采用非安装文件方式发布时, 除需要将可执行文件、ctf (ComponentTechnology Filearchive) 等辅助文件拷贝至目标计算机外, 还必须在目标计算机安装MCR (MATLAB Component Runtime) v7.6, 并将安装目录添加至系统路径。
4 结论
制冷计算是半导体制冷应用中最为重要的环节之一, 也是制冷片选型、电源设计、制冷优化控制的前提和基础。然而, 由于多效应叠加、内参数未知、与工况环境密切相关等因素, 半导体制冷计算成为了一项复杂而又颇具难度的工作。本文以单PN结和单级制冷片为研究对象, 探讨了制冷计算过程, 基于对制冷原理、制冷工作模式、标称参数意义的深入分析, 推导出一种通过外参数反向求解制冷器件等效内参数或 (和) 单PN结内参数的新方法, 并基于Matlab开发了一款半导体制冷计算软件, 讨论了其结构、实现方法和开发过程。该软件已在某大型半导体调温系统设计中得到成功应用, 它克服了传统查表法的缺点, 为实现实际复杂多工况下的快速、精确制冷计算提供了有效途径。
参考文献
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半导体制冷箱的宏观设计与结构优化 篇5
关键词：半导体制冷箱,电路设计,ANSYS,宏观设计,优化
0 引言
半导体制冷又叫做温差制冷或热电制冷, 是一种近年发展起来的新兴制冷技术。它具有结构简单、维修方便、无磨损、无噪声、寿命长、无需制冷液、绝对环保等优点[1], 可应用于电子、医药、科研实验室等场合, 有着广阔的发展前景。
与传统的机械压缩式制冷相比, 半导体制冷效率低, 且其制冷效果受环境温度的影响很大, 因此本文针对某自制的半导体制冷箱 (容积为10L, 保温层材料为聚苯乙烯泡沫塑料板, 制冷片型号为TEC1-12706, 数量为6片, 且均匀布置在制冷箱的顶面, 环境温度为30℃) , 为了尽可能地增大其制冷效率, 对其制冷箱电路、制冷箱内胆形状及保温层的厚度进行了优化。
1 制冷箱电路的设计
当温差不变时, 制冷量Qc与电流I成二次函数, 且函数曲线为开口向下的抛物线。制冷量Qc刚开始随电流的增大而增大, 当电流增大到某一值时制冷量达到最大值, 然后随着电流的增大制冷量反而下降, 并逐渐降为零。因此可以用求极大值的方法求出制冷量最大时对应的最佳电流Iopt。
制冷箱电路的设计应遵守的条件及需实现的功能为: (1) 尽可能使通过制冷片的最大电流为制冷量最大时的最佳电流; (2) 由于半导体制冷片本身具有一定的电阻, 各制冷片并联时通过制冷片的电流更大, 因此制冷片在电路中采用并联连接; (3) 整个电路设置一个电源开关, 制冷片和风扇分别单独设置一个电源开关; (4) 制冷箱能同时实现制冷/加热功能, 设置切换开关实现制冷箱制冷/加热间的切换, 并设置指示灯, 使制冷时为蓝色LED灯亮, 加热时为红色LED灯亮; (5) 制冷箱工作时功率可以调节, 并根据功率的大小设置3个档位; (6) 为降低制冷箱工作时箱内温度的不均匀性, 制冷箱功率的大小通过调节流过所有制冷片总电流的大小来控制。根据上述6条规则设计出的制冷箱电路图见图1。
(1) 电源开关:K0为控制整个电路通断的电源开关, K1、K3分别为控制风扇和制冷片开启/停止的开关。
(2) 制冷/加热切换:通过电流换向开关K2控制半导体制冷片中电流的流向来切换制冷箱的制冷/加热。当换向开关K2与触点A、B2连接时, 若开关K0、K3、K4闭合, 电流的流动路线为:电源正级—触点A—经并联分流后分别流向6片半导体制冷片和发光二级管LED1—触点B2—电源负级, 此时流过半导体制冷片的电流为正向电流, 且LED1灯亮 (蓝色) , 制冷箱处于制冷状态;同理, 当换向开关K2与触点B1、C连接时, 流过半导体制冷片的电流为反向, 且LED2灯亮 (红色) , 制冷箱为加热态。
(3) 工作功率控制:通过旋转开关K4控制接入电路中电阻的个数, 达到改变流过每片制冷片电流的大小来控制制冷箱功率的目的。当K4与触点I连接时, R2和R3两个电阻都接入电路中, 此时电路中的电阻最大, 从而流过每片制冷片的电流最小, 制冷箱工作功率最小;当K4与触点J连接时, 只有R3一个电阻接入电路中, 此时电路中的电阻变小, 从而流过每片制冷片的电流变大, 功率增大;当K4与触点K连接时, R2和R3都没有接入电路中, 此时电路中的电阻最小, 从而流过每片制冷片的电流最大 (即最佳电流) , 功率最大。
2 制冷箱结构尺寸的有限元优化
有限元优化时的基本假设为: (1) 采用水冷散热器散热, 制冷箱内胆容积为10L, 6片制冷片均匀分布在箱体顶面, 保温层的材料为聚苯乙烯泡沫塑料板; (2) 环境温度为30℃, 制冷片热端采用水冷散热且散热良好时冷端温度能降到-15℃; (3) 制冷箱门封保温良好, 在用ANSYS模拟时不考虑门封的冷量损失; (4) 制冷过程的热传递主要靠箱体内胆的热传导和内胆中空气的热对流, 忽略热辐射的影响[2]; (5) 边界条件采用第一类边界条件[3], 取单元长0.05mm均匀划分网格[4]。
2.1 制冷箱内胆形状的优化
设制冷箱内胆的长、宽、高的初始值分别为250mm、200mm、200mm。
将制冷箱内胆的长和高作为输入参数 (即设计变量) , 箱内温度的最大值作为输出参数 (即状态变量) 。由于容积为定值10L, 因此只要长和高确定了, 宽也会确定下来[5]。
优化时取1 000个样本点进行比较, 把最小化箱内温度最大值作为优化目标。经ANSYS仿真优化后, 得到了制冷箱内胆的长和高对箱内温度最大值的权衡图, 如图2所示 (图2中越左边的点表示越好, 越右边的点表示越差) [6]。
由图2可知:箱体内胆的高为125mm~135mm时比较好, 其中130.48mm最好;长对制冷箱制冷的影响不大, 220 mm~300 mm之间都比较好, 其中244.48mm最好。
为了方便取放东西, 箱体内胆的高度应不小于150mm, 又因为内胆的长对制冷效果的影响很小几乎可以忽略, 考虑到箱体的外观和制造等因素, 经AN-SYS优化后, 制冷箱内胆的长、宽、高分别取320mm、210mm和150mm。
2.2 制冷箱保温层厚度的优化
令制冷箱保温层的厚度为设计变量, 令箱内目标点 (即中心点) C (160, 105, 75) 的温度为状态变量, 保温层厚度的设计范围为10mm~30mm, 间断性变化 (递增量为1) 。优化时取20个点作为优化比较的样本点, 经ANSYS仿真优化后, 将每个样本C点的温度值导入Origin软件中可以得到保温层厚度与C点温度的响应曲线图, 如图3所示。
由图3可知, 当保温层厚度小于20 mm时, 厚度的变化对制冷箱内C点温度影响较大, 当厚度大于25mm时, 厚度对C点温度的影响相对较小。因此在后边的模拟和实验中取制冷箱保温层的厚度为25mm。
3 制冷箱制冷过程有限元模拟
经ANSYS优化分析后, 确定了制冷箱的结构尺寸。此时, 可利用专业的CFD软件Fluent进行制冷箱制冷过程的精确模拟。用Fluent模拟时将time选项设置为非定常模型unsteady, 采用SIMPLE方式离散压力-速度, 压力修正松弛因子设定为1.0, 以达到加快收敛速度的目的。制冷模拟时间取30min, 时间步长取0.1s, 并选择Autosave, 设置为每1 200步长保存一次 (即每2min自动保存一次) 。后处理时, 取C点作为目标点。
由Fluent模拟及实验测量得到C点温度的时间历程对比图, 如图4所示。
由Fluent模拟也可以得到制冷温度稳定后的制冷箱温度分布云图, 如图5所示。
由图4和图5可知, 经优化后, 制冷箱内的大部分空间在20min之内降到2℃~4℃左右, 当C点温度稳定后, Fluent模拟的数值为1.2℃。
4 结论
本文用ANSYS有限元软件对半导体制冷箱的结构进行优化分析, 其分析结果与实验结果接近, 应用有限元方法进行制冷箱的研制, 大大缩短了研发周期, 节约了开发费用, 同时其分析结果对于其他类型制冷箱的研发设计也具有一定的参考价值。
参考文献
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太阳能半导体制冷技术的发展和前景 篇6
1 太阳能半导体制冷技术工作原理
首先, 对太阳能半导体制冷系统组成进行分析, 此系统主要由数控匹配器、太阳能光电转换器以及半导体制冷装置和储能设备共同构成, 其中, 由太阳能光电转换器输出的直流电分为两部分, 一部分进入储能设备进行储存, 而另一部分则直接传输至半导体制冷装置, 从而为系统的全天候运行提供保障[1]。
其次, 对太阳能半导体技术工作原理进行分析。由于半导体制冷是以热电制冷效应为依托的一类制冷方式, 故又被称为温差电或热电制冷, 其制冷器以一组热电偶对为基本元件, 对此基本元件进行分析可知, 其实际上就是通过将位于制冷器冷端的p型半导体元件与一和铜片连接的放热端n型半导体元件相连, 从而形成热电偶。接通直流电后, 上方接头电流方向为n→p, 此时, 制冷器温度降低并吸热, 从而形成冷端;而下方接头电流方向则为p→n, 且温度上升, 制冷器在此过程中放热, 构成热端。当若干对热电偶进行连接后, 便形成了常用的热电堆, 此时, 通过利用各类传热器件辅助热电堆持续放热, 并将温度控制在一定范围, 并将热电堆冷端置于具体的工作环境中使其吸热, 从而降低环境温度, 这便是半导体制冷系统的工作原理。而基于太阳能的半导体制冷系统则是通过对半导体本身的热点制冷效应进行利用, 进而由太阳能电视对系统所需的直流电进行直接供电, 从而实现对外部工作环境的制冷制热。
2 太阳能半导体制冷技术的注意事项
2.1 系统能量优化
系统能量优化是太阳能半导体制冷技术的关键问题, 对太阳能半导体制冷系统进行分析可知, 其本身就存在着较大的能量损失, 而如减少系统本身的能量损失, 从而提高系统运行的稳定性和可靠性则成为太阳能半导体制冷技术应用过程中需要注意的关键是想。衡量太阳能半导体制冷系统 (以下简称系统) 能量损失的指标有二, 一是光电效率, 当输出功率恒定时, 光电效率越高, 则所需的太阳能电池面积则越小, 从而有利于系统的小型化发展。现阶段, 太阳能光电效率最高可到17%, 尚不能完全满足系统的小型化和高能量的发展要求, 故未来还应进一步提高系统广电效率。二是制冷效率, 就现阶段而言, 国内半导体制冷装置的制冷效率最高为0.3, 远远低于普通的压缩式制冷系统的制冷效率。相关研究表明, 系统制冷效率受其冷热端温差影响较大, 而通过采用强化热端散热法可以使太阳能半导体制冷系统性能得以良好改善[2]。
2.2 系统运行的控制及优化
相较于一般制冷设备, 以太阳能为依托的半导体制冷系统受太阳辐射以及外部环境的影响较大, 而系统的工况也会在一年的不同时间发生诸多变化, 故对于此系统而言, 除了需要具备太阳能电池以及半导体制冷装置外, 还需要将数控匹配器以及蓄电池配备其中, 其中, 蓄电池的布置能够确保系统工作的连续性, 而数控匹配器的布置则能够使太阳能电池的输出阻抗同等效负载阻抗进行匹配, 以此来保证系统的功率输出始终处于良好状态, 提高系统运行的稳定性和可靠性。由此可见, 对储能设备以及数控匹配器的科学选择已成为当前太阳能制冷技术得以推广和普及的关键问题。
3 太阳能半导体制冷技术应用与前景
就现阶段而言, 太阳能半导体制冷技术的应用尚未普及, 但关于该项技术及其应用的研究却较多。在国外方面, 相关研究主要包括了基于内可逆热力学法对太阳能电池光电转换效率进行分析、将太阳能半导体制冷系统应用在汽车空调方面以及太阳能半导体制冷装置在沙漠地区的应用等[3]。在国内方面, 相关研究主要包括基于保存疫苗的太阳能半导体制冷系统在冰箱电力匹配中的应用研究以及基于太阳能光伏系统的半导体冰箱制冷问题等。上述相关研究为太阳能半导体制冷技术的推广和普及奠定了良好基础。
近年来, 太阳能电池价格呈现出逐年下降的变化趋势, 其中, 发展最快的太阳能电池当属单晶硅太阳能电池, 其发电小效率是普通太阳能电池的1~2 倍, 而此外, 多晶硅太阳能电池和以薄膜技术为依托的第二代与第三代太阳能电池的迅速发展也有效推动了太阳能电视产业发展。而在太阳能电池技术和产业发展迅速的同时, 半导体工业也呈现出良好发展态势, 其中热电材料优值系数的提升以及相关新型材料的出现使得半导体装置的性能得以大幅提升。而自从美国RTI研究制作出基于Bi-Te的超晶格薄膜而使得300K温度下材料的优值系数达到2.4 后, 热电材料的价格也大幅下降, 在有效提高热电材料性价比的基础上, 也为基于太阳能的半导体技术和制冷系统的应用和普及奠定了良好基础。由此可见, 未来, 高性价比且无噪、清洁的多种形式的太阳能半导体制冷系统必将成为半导体制冷系统的主流, 从而走进千家万户, 服务于广大社会群众。
4 结论
本文以太阳能半导体制冷技术作为主要研究对象, 通过对这一技术的工作原理进行论述和分析, 进而对系统能量优化、运行控制等此项技术的注意事项展开分析, 在此基础上, 对当前太阳能半导体制冷技术的应用情况和前景做出了系统探究。研究结果表明, 虽然当前太阳能半导体制冷系统的光电转换效率和制冷效率较低, 但却具有良好的发展前景, 未来, 还需进一步加强对太阳能半导体制冷技术的研究力度, 从而为满足人们的生产、生活需求提供便利和保障。
摘要：为了进一步提高基于太阳能的半导体制冷系统的运行效果, 提高半导体制冷系统对太阳能的利用效率, 本文通过对太阳能半导体制冷技术的工作原理进行简要概述, 在结合此项技术应用过程中相关注意事项的基础上, 对太阳能半导体制冷技术的应用现状与前景展开了深入研究。
关键词：太阳能,半导体,制冷技术,光电转换
参考文献
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半导体制冷片 篇7
1课题的背景及其意义
现代工业设计,工程建设及日常生活中温度控制都起着重要的作用,早期的温度控制主要用于工厂时间生产中,能起到实时采集温度数据,提高生产效率,产品质量之用。随着人们生活质量的提高,现代社会中的温度控制不仅应用在工厂生产方面也应用于酒店,厂房以及家庭生活中,在有些应用中,如高精度的生产厂房,对温度的要求极其严格,温度的变化极有可能对生产的产品造成极大的影响。生活中温度变化使人们能及时看到温度变化的第一手资料,提示人们温度变化情况,协助人们能及时的调整,起到温度报警作用,使温度控制更好的服务于社会生产,生活。
电子技术的飞速发展,给人类的生活带来了根本的的变革,特别是随着大规模集成电路的产生而出现了微型计算机,更是将人类社会带入了一个新的时代。于是单片机就运用而生了,单片机其实就是一个简化的微机,将微机的CPU,存储器,I/O接口。定时器/ 计数器等集成在一片芯片上就是单片机了,它主要用来完成各种控制功能。单片机依靠其高的可靠性和极高的性价比,在工业控制,数据采集,智能化仪表,家用电器等方面得到极为广泛的应用。
在单片机温度测量系统中的关键是测量温度、控制温度和保持温度,因此,单片机温度测量则是对温度进行有效的测量,并且能够在工业生产、医学等领域中得到了广泛的应用。在日常生活中,也可广泛实用于地热、空调器、电加热器等各种家庭室温测量及工业设备温度测量场合。
2课题研究的内容及要求
2.1课题的主要研究的内容
我们小组设计的恒温箱自动控制系统主要由中央处理器、温度传感器、半导体制冷器、键盘、显示、散热系统等部分组成。 处理器采用51单片机,温度传感器采用DS18B20,利用半导体制冷片一面制冷一面发热的工作特性进行升降温,用LCD1602作为显示输出。用键盘对主观温度进行设定, 温度传感器检测到温度数据传送给单片机, 单片机再将温度数据与给定值进行比较,从而发出对半导体制冷器的控制信号,通过模糊PID控制使温度维系在给定值附近(偏差小于 ±0.5℃),同时单片机将数据送与显示器。
而箱内温度控制部分,采用一套模糊PID闭环负反馈控制系统,由DS18S20检测箱内温度,并在LED中显示。控制器是用STC89C52RC单片机,用模糊PID算法对检测信号和设定值的差值进行调节后输出控制信号给执行机构,去调节控制制冷或者制热时间,从而控制箱内温度。
本次项目利用了半导体制冷片,半导体制冷片也叫热电制冷片,是一种热泵。它的优点是没有滑动部件,应用在一些空间受到限制,可靠性要求高,无制冷剂污染的场合。 利用半导体材料的帕尔贴效应,当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时,在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量, 可以实现制冷的目的。它是一种产生负热阻的制冷技术,其特点是无运动部件,可靠性也比较高。
2.2用单片机实现其具体控制功能如下:
(1)能够连续测量箱内温度值,用LCD1602来显示箱内实际温度。
(2)能够设定箱内温度值,设定范围是25℃~ 35℃。
(3)能够实现箱内温度的自动控制,如果设定箱内温度为30℃,则能使箱内温度保持在30±0.5℃的温度下运行。
(4)用单片机STC89C52RC控制,通过按键来控制箱内温度的设定值,数值采用LCD1602显示。
3硬件设计
设计采用按键作为输入控制,通过DS18B20温度传感器采集温度信息,经由主机STC89C52RC进行处理并将实际温度值和设定温度值分别显示在LCD1602上。
3.1温度采样部分
采用温度传感器DS18B20。DS18B20可以满足从-55摄氏度到+125摄氏度测量范围,且DS18B20测量精度高,增值量为0.1摄氏度,在一秒内把温度转化成数字,测得的温度值的存储在两个八位的RAM中,单片机直接从中读出数据转换成十进制就是温度,使用单总线通讯,只占用一个I/O口, 使用方便。基于DS18B20的以上优点,我们决定选取DS18B20来测量温度。
DS18B20的实时温度显示电路如图一:
3.2控制电路
单片机最小系统如图二
3.3按键电路
按键电路如图三
由于系统需要按键数较少,所以采用独立式键盘解构。它的优点是一键一线, 按键识别容易;缺点是占用的口线较多, 不便于组成大型键盘。其中S1为温度提升键,S2为温度降低键,S3为确认键,S4和S5目前没有键值。
3.4显示电路
按键电路如图四
3.5电源电路
本节介绍了将220V的电源转换为5V的稳定输出,达到本系统可以使用的电压。电源的基本原理图如图五
4软件设计
软件设计采用了模块化设计,全部用KEIL C51编程。整个软件系统简洁明了, 而且具有良好的扩展性。
4.1主程序流程图
系统的软件部分由主程序流程图、 中断子程序流程图、按键流程图和显示流程图四部分组成。系统的主程序流程图如图,当有信号输入时,主程序启动,根据内部设定的条件逐步运行,达到设计目的。
4.2模糊PID控制算法[3]
由于无法确切确定加热系统的物理模型,因而无法建立其数学模型和传递函数。因为加热系统为一惯性系统, 我们采用非线性控制 —— 模糊PID控制的方法,CPU根据系统偏差(偏差=给定-反馈),和偏差变化率(偏差变化率= 当前周期偏差- 上周期偏差) 查询相应的模糊控制表,得到KP,Ki, Kd三个参数的整定值,然后进行PID运算。在本项目中采用增量式PID :是控制值的增量,1,eK-2为偏差),显然增量式的PID只和最近的k-2,k-2,k次误差有关,CPU只需保存着三次的误差即可;而位置式PID:需要对误差的累积,这样增加了CPU的负担。流程图如图六
5总结
51系列单片机由于其卓越的性能而闻名于世。本文主要讲解利用51系列单片机进行温度的智能化控制。而采用的温度传感器件为DS18S20,该传感器具有探头,可远距离探测温度,并反馈给单片机。 在这样的一个系统中,无时无刻不在尽心反馈,处理。通过电路设计,软件设计,我们最终实现一个简单的温度控制处理系统。
摘要：随着信息时代的到来,智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。特别是近年来,温度控制系统已应用到人们生活的各个方面。针对这种实际情况,设计一个温度控制系统。我们设计的恒温箱自动控制系统主要由中央处理器、温度传感器、半导体制冷器、键盘、显示、散热系统等部分组成。处理器采用51单片机,温度传感器采用DS18B20[1],利用半导体制冷片一面制冷一面发热的工作特性进行升降温,用LCD1602作为显示输出。用键盘对主观温度进行设定,温度传感器检测到温度数据传送给单片机,单片机再将温度数据与给定值进行比较,从而发出对半导体制冷器的控制信号,通过模糊PID控制使温度维系在给定值附近(偏差小于±0.5℃),同时单片机将数据送与显示器.